共有結合

「イオン結合」の記事では、
電子を手放して陽イオンになりやすい原子と、
電子を受け取って陰イオンになりやすい原子とがあることを学習しました。

それらの原子は、周期表ではこのあたりにいます。



では中央部の原子はどうやって結合するのかというと、
電子を手放したり受け取ったりするのではなく、
お互いに電子共有することで結合します。

これを共有結合といいます。

共有すると言うことは、電子の軌道が離れていてはいけません。
2つの軌道が重なって１つの軌道になります。

軌道にはどんな形のものがあったか思い出しながら、
以下の記事を読んでみて下さいね。
(詳しくはコチラ）

それでは、それぞれの軌道が重なったらどんな形になるのか、
見てみましょう。

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Ｓ軌道

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※図はＨ原子を例にしたものです。

2つの球状の軌道が接近して、新しい卵形の軌道になります。
ちょうど、２つの白玉団子をぎゅっと押しつけた感じでしょうか？
この新しい卵形の軌道は、断面が円形になります。
このように円形断面を持つ結合を、σ結合といいます。

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ｐ軌道

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（引用　東京化学同人発行「マクマリー有機化学概説」）

ｐ軌道の場合、結合の種類は幾何学的に２種類あります。

シグマ結合
横に倒した形のものが２つ結びついたものが「シグマ結合」。
これはｓ軌道のシグマ結合と同じく、
2つの団子をぎゅっと押しつけたイメージです。
断面もｓ軌道と同じく円形になります。

パイ結合
縦に並んだ２つのｐ軌道が結びついたものが「パイ結合」です。
上下の雲のような軌道が、ぼわ～んとつながっています。

この２つ、どちらかというとシグマ結合の方が効率が良いことが分かっています。

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混成軌道

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それでは､ここまで学んできた軌道の知識でCの軌道の形を描いてみます｡


不対電子は2pxと2pyにある2個となりますね｡
しかし､Cには不対電子が4個あることが分かっています｡
これまで学んできた軌道の理論では説明がつかないのです｡

そこで混成軌道というものがLinus Paulingによって考え出されました｡



エネルギーを与えると､
2sにある２つの電子のうちの1つが空の2pz軌道に入ります｡
(この状態を励起状態といいます）

すると､1s､2px､2py､2pzに1つずつ電子がある状態になります｡
この4つを混合して､4つの等価な新しい軌道にします｡
こうすることで不対電子が4個ある状態になり、
実際のＣの構造と一致します｡

これをsp³混成軌道といいます｡

このsp³混成軌道を持つCと、
4つのHから成る、
CH₄分子の電子軌道がこちらです。

（引用　https://socratic.org/questions/does-methane-have-a-sigma-bond）
※図中↑↓は電子を表す

ではここからＣ同士の結合を見ていきましょう。

①単結合

2つのＣが単結合（Ｃ－Ｃ）している最も簡単な分子はエタン（CH3CH3）です。

（引用　https://www.sarthaks.com/69425/explain-the-structure-c2h6-ethane-using-hybridization-concept-also-draw-orbital-diagram）

Cの4つの軌道のうち､
3つがHの軌道と重なり､
最後の1つが他方のCの軌道の１つとシグマ結合することでエタン分子を構成しています｡

②二重結合

2つのＣが二重結合（Ｃ＝Ｃ）している最も簡単な分子はエチレン（CH2CH2）です。
これにもsp³混成軌道が適用出来るかと思いきや、
そうはいきません。

2個のＣが二重結合で結ばれているとき、
不対電子が４個となることは昔から知られていました。

そこで今度はsp²混成軌道というものが考えられました。



sp³混成軌道と同じく、
エネルギーを与えて2sの２つの電子のうち、１つを2pzに入れます。
そうしてできた４つの軌道のうち、
2s１つと2p２つを使って混成し、
互いに１２０°の角度で結合した同一平面にあるsp²混成軌道を作ります。

混成に加わらなかった１つの2pは、
sp²平面に対して垂直に立つことになります。

このようにしてできたＣを使ってメタン分子を作ると、
次のようになります。

（引用　東京化学同人発行「マクマリー有機化学概説」）

sp²の３つの軌道のうちの１つがお互いにシグマ結合しつつ、
垂直に立っている１つの2pがパイ結合するのです。

これが二重結合の正体です。

このパイ結合はシグマ結合に比べて緩いため、すぐに切れてしまいます。
つまり化学反応において、反応するポイントになります。

③三重結合

2つのＣが三重結合している最も簡単な分子はアセチレン（CH2CH2）です。

こちらはsp³、sp²ではない第３の軌道、sp軌道を作らなければ説明できません。
(最後なのでがんばって！）



sp³、sp²と同じように励起状態になった４つの軌道のうち、
2s１つと2p１つを混成して、直線型のsp軌道を作ります。

このsp軌道と、混成に加わらなかった２つの2pを組み合わせて、新たなＣ原子ができます。
このＣ原子２つを使ってアセチレン分子を作ると、次のようになります。

（引用　東京化学同人発行「マクマリー有機化学概説」）

シグマ結合１つと、
パイ結合２つから成る、三重結合が出来上がります。

ところで各結合の長さは、

三重結合＜二重結合＜単結合

と、三重結合の長さが一番短くなっています。

これは、シグマ結合１つとパイ結合２つがあることにより、
原子間の引力が強くなるためだと言われています。

以上、シグマ結合とパイ結合、
それから３つの混成軌道をご説明しました。
（お疲れさまでした！）

なかなかややこしいところですが、
自分で描いてみるとよく分かると思いますので、
ぜひ色鉛筆を持って描いてみて下さいね。